ĐIỆN tử VIỄN THÔNG ch28 khotailieu

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2007 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử Từ hình 8- 48 ta thấy có nhiều vùng hoạt động phổ thêm vào Một cách lý tưởng, tăng đột biến dung lượng thơng tin sợi quang đạt việc truyền dẫn đồng thời tín hiệu quang sợi quang từ nhiều nguồn ánh sáng khác có bước sóng đỉnh xạ đặt cách cách xác Bởi nguồn sáng hoạt động bước sóng đỉnh khác nhau, tính tồn vẹn tin tức độc lập từ nguồn trì để việc chuyển đổi sang tín hiệu điện đầu thu Đây sở ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Hai cấu WDM khác mô tả hình 8- 49 hình 8- 50 Trong hình 8-49, linh kiện WDM đơn hướng sử dụng để kết hợp bước sóng mang tín hiệu khác sợi quang đơn đầu để tách chúng vào tách quang thích hợp đầu Sơ đồ hệ thống WDM hai hướng mô tả hình 8- 50 Sơ đồ gồm việc gửi tin tức hướng bước sóng λ1 đồng thời hướng ngược lại bước sóng λ2 Kênh Kênh Nguồn λ1 Nguồn λ2 Linh kiện Sợi quang đơn WDM λ1, λ2, λN Kênh N Linh kiện Tách quang λ1 Kênh Tách quang λ2 Kênh WDM Nguồn λN Tách quang λN Kênh N Hình 8- 49 : Hệ thốngWDM đơn hướng kết hợp N tín hiệu độc lập để truyền sợi quang đơn Kênh vào Kênh Nguồn λ1 Tách quang λ2 Linh kiện WDM Sợi quang đơn λ1 λ2 Linh kiện Tách quang Kênh λ1 WDM Nguồn λ2 Kênh vào Hình 8- 50: Hệ thống WDM hai hướng, đó, hai bước sóng nhiều truyền đồng thời hướng ngược sợi quang Trong hệ thống thông tin quang hai hình trên, ghép kênh phân chia theo bước sóng có hai loại sử dụng rộng rãi linh kiện tán sắc cạnh lăng kính cách tử, lọc màng mỏng linh kiện tích hợp quang đơn mốt 8.5.2 Bộ lọc quang linh kiện tán sắc (hay ghép kênh tán sắc cạnh) Sơ đồ ghép kênh tán sắc cạnh mô tả hình 8- 51 hệ thống bước sóng sử dụng, dθ độ tán sắc cạnh linh kiện dλ 212 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Thấu kính L1 Cấu kiện quang điện tử Phần tử tán sắc cạnh Thấu kính L2 λ1 λ λ λ1 λ2 λ3 dθ dλ Sợi quang Hình 8- 51:Sơ đồ biểu diễn phần tử WDM tán sắc cạnh cho bước sóng Nhiều bước sóng kết hợp phân chia với loại linh kiện Khi linh kiện sử dụng phân kênh, ánh sáng từ sợi quang chuẩn trực thấu kính L1 (gọi thấu kính chuẩn trực) qua phần tử tán sắc cạnh phân chia thành kênh có bước sóng vào chùm tia có định hướng khơng gian khác Thấu kính L2 (thấu kính hội tụ) hội tụ tia đầu vào sợi quang thu thích hợp tách quang thích hợp Sự tán sắc tuyến tính dx sợi quang thu xác dλ định: dθ dx = f dλ dλ (8 43) f chiều dài tiêu cự thấu kính L2 Trong trường hợp lý tưởng khơng có quang sai, độ rộng phổ nguồn zero, tổn hao chèn nguyên tính xen tiếng zero tín hiệu phân chia lớn đường kính (dk), nghĩa là: dx Δλ ≥ d k dλ với: (8 44) Δλ - khoảng cách phổ kênh (khoảng cách bước sóng) dk - đường kính sợi quang Ở giả thiết tất sợi quang (phát thu) có đường kính dk độ số NA Để thu nhận tất ánh sáng từ sợi quang phát, thấu kính chuẩn trực L1 cần có đường kính b thoả mãn điều kiện: b > 2f NA n' (8 45) n’ chiết suất mơi trường thấu kính L1 linh kiện tán sắc cạnh Kết hợp công thức (8 43), (8 44) (8 45), ta có: ⎛ NA ⎞ 2⎜ ⎟d k n' ⎠ ⎝ b≥ ⎛ dθ ⎞ Δλ⎜ ⎟ ⎝ dλ ⎠ (8 46) Trong hệ thống thực tế, chùm tia bị trải rộng kích thước hữu hạn nguồn sáng kết tán sắc cạnh trải rộng bước sóng độ rộng phổ nguồn Độ tăng tỉ lượng S đường kính chùm tia tính gần bằng: S= b'−b w.d k (NA ) ≈ (1 + m ) b b n ' 213 (8 47) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử đó: m – số lượng kênh bước sóng b’ - đường kính thấu kính L2 w - độ dài tuyến tổng từ đầu thấu kính L1 đến đầu vào thấu kính L2 Để loại bỏ tượng tràn đầy độ mở số sợi quang thu, độ trải rộng tia sáng tổng cần phải phần nhỏ đường kính thấu kính chuẩn trực, nghĩa S-V2>-V3 điện tích dịch chuyển phía bên phải theo cách thức CCD loại pha Cho ống thu hình màu cần chip CCD cho màu màu đỏ, xanh xanh da trời Trên thực tế, ống hình màu chế tạo có chip với lọc để xếp cho kênh xanh có số điểm gấp lần số điểm màu đỏ xanh da trời mắt người nhạy với màu xanh tốt Để thu hình màu cần có khoảng 400 điểm hình cho hàng cho ta ảnh màu tốt Ví dụ: Đối với ống thu hình màu dùng chip theo tiêu chuẩn NTSC cần khoảng 484x400 đơn vị detector, PAL cần tới 580x400 đơn vị detector 217 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ a/ Cấu kiện quang điện tử -V1 -V1 -V2 +++ b/ +++ -V1 -V3 -V2 +++ c/ +++ -V1 -V2 -V1 +++ +++ Hình – 56: Hoạt động CCD với –V1>-V2>-V3 Tùy theo xếp phần detector phần nhớ mà ta có loại CCD khác như: IT (Interline Transfer); FT (Frame Transfer); XY (Cấu trúc với dịch chuyển digital) TÓM TẮT Cấu kiện quang điện tử nghiên cứu chương gồm cấu kiện phát quang (cấu kiện biến đổi điện – quang) LED, LASER cấu kiện thu quang (cấu kiện biến đổi quang-điện) điện trở quang, điốt quang, tranzito quang, thyristo quang Điốt phát quang- LED linh kiện phổ thơng quang điện tử, có tần số hoạt động cao, thể tích nhỏ, cơng suất tiêu hao bé không sụt áp hoạt động Điốt phát quang sử dụng rộng rãi hai lĩnh vực LED xạ ánh sáng nhìn thấy gọi LED thị LED xạ ánh sáng hồng ngoại gọi LED hồng ngoại Hai loại LED có cấu tạo nguyên lý hoạt động gần giống nhau, có bước sóng xạ vùng khác vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác theo mối quan hệ: hc λ= EG Trong đó: h- số Plank (h = 4,16 10 −15 eV) c- vận tốc ánh sáng (c = 10 m/s) EG- độ rộng vùng cấm, (eV) 218 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử Cấu tạo LED thị gồm có lớp tiếp xúc P-N, hai chân cực anốt catốt Vật liệu bán dẫn liên kết nguyên tố thuộc nhóm nhóm bảng tuần hoàn Mendeleep Nguyên lý hoạt động dựa vào trình tái hợp hạt dẫn điốt phân cực thuận để xạ quang Điện áp phân cực cho LED gần độ rộng vùng cấm, đó, LED xạ bước sóng khác có điện áp phân cực khác Để cường độ xạ cao, vật liệu chế tạo LED có độ pha tạp lớn, điện trở chúng nhỏ Do vậy, đấu LED mạch ta phải đấu nối tiếp với điện trở đấu nối tiếp với nguồn điện Điện áp phân cực cho LED nằm khoảng từ 1,6V ÷ 3V Điện áp phân cực ngược giới hạn cho điốt giới hạn khoảng từ 3V ÷ 5V LED nhạy với nhiệt độ , hệ số nhiệt có giá trị âm Như vậy, nhiệt độ tăng cường độ xạ quang LED giảm (khoảng 1%/ C ) LED hồng ngoại có cấu trúc đặc biệt để tạo ánh sáng có cường độ cao, thời gian đáp ứng nhanh hiệu suất quang lượng tử cao LED cấu trúc dị thể kép gồm lớp bán dẫn có vật liệu nồng độ pha tạp khác để tạo lớp giam giữ hạt dẫn giam giữ ánh sáng Nhờ lớp giam giữ hạt dẫn mà hiệu suất quang lượng tử nâng cao nhờ lớp mà tập trung xạ quang theo hướng định Tuy nhiên, ánh sáng xạ LED đẳng hướng ánh sáng khơng kết hợp, có cường độ xạ không cao phổ xạ lớn LASER bán dẫn cấu kiện bán dẫn quang dùng để tạo khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết pha từ xạ tự phát ánh sáng nên cường độ xạ Laser lớn có phổ xa nhỏ (khoảng vài nm) Cấu tạo Laser gần giống LED phức tạp yếu cầu độ giam giữ hạt dẫn ánh sáng hốc cộng hưởng Trong LASER, ba trình quang điện xảy ra: trình hấp thụ photon, trình xạ tự phát q trình xạ kích thích Muốn LASER xạ ta phải cung cấp cho dòng điện có cường độ lớn giá trị ngưỡng (ICC ≥ ICC ngưỡng) Lúc trạng thái “đảo điện” xảy lớp bán dẫn Điều kiện để có xạ Laser khuếch đại ánh sáng thắng hấp thụ quang buồng cộng hưởng điốt laser Sự lan truyền ánh sáng dọc theo chiều dài L hộc cộng hưởng viết theo công thức sau: E(z,t) = I(z).e j (ωt − βz ) Trong I(z)- mật độ trường quang theo hướng dọc (z) z- khoảng cách theo hướng dọc hốc cộng hưởng ω- tần số góc ánh sáng β- hệ số lan truyền Mật độ xạ quang ứng với photon có lượng hν tính theo cơng thức: I(z) = I(0)R1R2.e [I g ( hν ) −α ( hν ) ]z Trong đó: α / - hệ số hấp thụ hữu ích vật liệu I / - hệ số giam giữ ánh sáng I(0)- mật độ trường quang ban đầu g- hệ số khuếch đại quang R1 R2- độ phản xạ gương phản xạ hốc cộng hưởng Điều kiện để có lasing dao động trạng thái bền chiếm giữ độ lớn pha sóng phản hồi sóng gốc tạo nó, là: / / 219 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử biên độ: I(2L) = I(0) pha: e − jβ L = Để đạt điều kienj độ khuếch đại ngưỡng lasing gth phải lớn tổng mát αt hốc cộng hưởng Đặc tính tham số Laser: Đặc tuyến phát xạ biểu thị quan hệ cơng suất xạ quang dòng điện cung cấp cho Laser Để có lasing ICC ≥ ICC ngưỡng Hiệu suất lượng tử vi phân xác định số photon xạ đôi điện tử-lỗ trống: qdP dP ηext = = 0,806λ E dI dI Khoảng cách tần số ∆ν = Khoảng cách bước sóng C Ln ∆λ = λ2 Ln Trong n – chiết suất vật liệu bán dẫn chế tạo Laser Cấu kiện thu quang có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện Điện trở quang cấu kiện bán dẫn khơng có tiếp xúc P-N Hiện tượng biến đổi quang –điện thực nhờ tượng hấp thụ quang để tạo đôi điện tử-lỗ trống Những hạt dẫn xuất chuyển động tác dụng điện trường tạo nên dòng quang điện việc chuyển đổi quang-điện thực Điốt quang cấu kiện thu quang có tần số làm việc cao Điốt quang có tiếp xúc P-N q trình hấp thụ quang xảy lớp tiếp xúc P-N Điốt quang loại tiếp xúc P-N cho dòng điện rò nhỏ có độ nhạy thấp lớp tiếp xúc P-N hẹp, nên hiệu suất quang lượng tử thấp Để tăng độ nhạy điốt quang người ta chế tạo điốt quang loại P-IN điốt quang thác APD Điốt quang loại P-I-N có vùng tích cực lớp bán dẫn nguyên tính (Intrinsic) dày lớp tiếp xúc P-N nhiều Do vậy, hiệu suất quang lượng tử nâng cao dẫn đến cường độ dòng điện quang tăng lên rõ rệt Dòng điện quang tính theo công thức: ⎡ e −α λ w ⎤ − ⎢ ⎥ (1 − R f ) α + L λ P ⎣ ⎦ Trong đó: q- điện tích điện tử P0 – công suất quang tới điốt quang hν – lượng photon αλ – hệ số hấp thụ ánh sáng bước sóng λ w – bề dày lớp bán dẫn nguyên tính Rf – độ phản xạ bề mặt điốt quang I phot / q e −α λ w Hiệu suất lượng tử là: η= =1P0 / hν + α λ LP Iphot = q P0 hν Độ nhạy điốt quang: S= I phot P0 = qη ηλ = hν 1,24 [A/w] Điốt quang thác (APD) có cấu trúc đặc biệt để tạo vùng có biến đổi điện áp nhanh vùng thác Khi hạt dẫn di chuyển đến vùng thác tăng tốc chúng va chạm với nguyên tử trung hòa vùng này, gây tượng i-on hóa 220 ... dλ 212 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Thấu kính L1 Cấu kiện quang điện tử Phần tử tán sắc cạnh Thấu kính L2 λ1 λ λ λ1 λ2 λ3 dθ dλ Sợi quang Hình 8- 51:Sơ đồ biểu diễn phần tử WDM tán sắc cạnh... (xem hình 8-56) Ngay sau đặt điện thích hợp lên điện cực để có hố điện sâu hơn, điện tích đẩy vào hố Mỗi điện cực thứ (chân 1, 4, 7…) có điện giống Với điện -V1>-V2>-V3 điện tích dịch chuyển phía... nguyên tử trung hòa vùng này, gây tượng i-on hóa 220 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử va chạm Do vậy, số hạt dẫn tăng lên theo cấp số nhân dẫn đến cường độ dòng điện quang